CN110770000A - 用于共挤出的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于生产用于轮胎的共挤出成型元件的共挤出装置，所述用于轮胎的共挤出成型元件由不同成分的橡胶配混物制成，所述共挤出装置具有至少一个第一挤出机(10)和至少一个第二挤出机(20)以及挤出头(2)，所述第一挤出机(10)具有带有纵向轴线(13)的螺杆(12)；所述第二挤出机(20)具有带有纵向轴线(23)的螺杆(22)；所述挤出头(2)通过适当的导管(11、21)连接到所述挤出机(10、20)的每一个。根据本发明，每一个挤出机(10、20)的供给入口(16、26)连接到齿轮泵(30、40)的排出口(38、48)。

Description

用于共挤出的装置和方法
技术领域
本发明涉及橡胶配混物的挤出领域，更具体而言用于轮胎的制造。更具体而言，本发明涉及由不同成分的橡胶配混物制成的挤出的成型元件的制造，其特别用于制造轮胎的胎面或胎侧。
背景技术
众所周知，用于通过挤出至少两种不同成分的橡胶配混物(或共挤出)来制造复合成型元件的装置包括连接至挤出头的至少两个挤出机。每一个挤出机由固定的圆柱形主体或机筒形成，并且在其内部具有与机筒的纵向轴线同轴并且被驱动围绕该轴线旋转的螺杆。其目的是使橡胶配混物均质化，并且在供给口处以配混物的带材的形状接收橡胶配混物之后，将其朝向出口孔驱动。对于复合产品，每一个挤出机的出口孔通向共同的挤出头，共同的挤出头因此接收不同成分的橡胶配混物，并且在其出口处包括限定橡胶带材的轮廓的挤出模具。该轮廓由与旋转辊配合的固定成型叶片或固定成型壁限定。
轮胎制造日益要求使用以复合半成品形式获得的复合产品，以在轮胎制造过程中减少相继的产品铺设操作的次数，从而降低成本并且提高精度。
如今，用于制造单个轮胎的不同橡胶配混物的数量趋于增加，以便能够根据这些配混物所处的区域来改善轮胎的性能。这在通常包括两种不同的橡胶状配混物的轮胎胎面的情况下尤其适用，现今向所述轮胎胎面添加其他配混物，例如导电配混物和用于在胎肩区域中覆盖胎侧的配混物。
在通过共挤出制造成型元件的过程中，使不同成分的配混物朝向出口模具汇聚，这意味着在配混物的压力和温度下，可以在成型之前在原始状态下进行结合，而无需与外界空气接触。这使得可以在配混物之间的交界区域中获得共挤出产品的良好的完整性。然而，由于一种配混物的流变特性不同于另一种配混物，因此难以对组件的几何形状进行完美的控制，特别是由于难以将由某种配混物制成的产品相对于另一种进行定位并且难以长期保持该定位。
一个产品相对于另一个产品的定位由成型装置或出口模具决定，来自不同挤出机的不同配混物以不混合的挤出物的形式到达出口模具中，以在出口处形成共挤出的复合成型元件。实际上，成型装置的几何形状和尺寸由几个相继的迭代循环确定。一旦对装置进行了优化，仅当挤出机以稳定状态且以明确确定的速度运行时，它才能产生预期的结果。
目前，不合格的共挤出成型元件在机器生产的产出量中所占的比例不可忽略。为了实现灵活的生产而进行的生产过程越短，废品率就越高(实际上为5％至20％)。这导致机器的盈利能力下降。而且，由于材料浪费在经济上是不可接受的，因此必须以可控的、精确计量的方式将被称为混合的(或多配混物)废料的废料存储、重新均质化并且重新引入到后续的生产过程中。此外，这样产生的生产成本伴随着最终获得的产品性能的下降，最终获得的产品部分地被其他配混物污染。
此外，必须通过测量输出产品的线性重量并且将其与预先确定的重量进行比较，来连续检查共挤出的产品。另外，使用不同的传感器评估复合产品的形状和尺寸(宽度、厚度)。
因此，已知文件WO 2015/028166描述了通过共挤出来自平行布置的多个挤出机的不同配混物来制造轮胎胎面的方法，在该方法中通过非接触式传感器分析横向轮廓。组成胎面的每一个部分的轮廓由传感器读取，然后由中央控制单元分析轮廓，该中央控制单元控制每一个挤出机的运行。挤出机的操作设定为紧邻在出口之前调整螺杆的转速和螺杆的端部的压力。然而，其运行还取决于将配混物加热到正确的温度、将模具加热到正确的温度、挤出速率、配混物的流变特性、带材供给的中断等。所有这些因素都干扰了挤出机的生产能力，这意味着在获得合格产品之前需要进行大量设定。
此外，用光学传感器进行的测量却不足以保证复合产品的不同成分部分在其中相对于彼此正确地定位，也不足以使它们各自的界面可视化，特别是当它们重叠时。结果，通过取样进行最终检查。由于组件是复合组件，因此在所有此优化工作中获取的样本都无法回收，而是将它们丢弃，所以浪费材料并且增加了所获得产品的总体成本。
文献CN102173042也是已知的，该文献描述了两个挤出机的布置，每一个挤出机在其出口处具有齿轮泵，用于生产由橡胶制成的共挤出产品。这样的布置使得可以通过调节出口处的泵的速度，来调节由挤出机输出的材料的流动速率。这种解决方案的主要缺点是齿轮泵的体积很大，这直接影响成形工具的尺寸，特别是当路径的数量以及由此挤出机的数量大于两个的时候。因此，该工具昂贵并且难以操作，而且花费更长的时间来达到正确的温度。此外，如果就体积而言，泵齿轮的直径减小，则后者将不得不以更高的速度旋转，以便排出挤出机输出的材料，这将具有加热橡胶的后果，存在过早硫化的风险。
发明内容
本发明的目的是解决上述文件的缺点。
该目的通过本发明实现，本发明提出了一种用于生产用于轮胎的共挤出成型元件的共挤出装置，所述用于轮胎的共挤出成型元件由不同成分的橡胶配混物制成，所述共挤出装置具有至少一个第一挤出机和至少一个第二挤出机以及挤出头，所述第一挤出机具有带有纵向轴线的螺杆；所述第二挤出机具有带有纵向轴线的螺杆；所述挤出头通过适当的导管连接到所述挤出机的每一个，其特征在于，每一个挤出机的供给入口连接到齿轮泵的输送孔。
换而言之，共挤出装置的每一个挤出机被供应直接来自齿轮泵的弹性体配混物。以此方式，获得了正位移共挤出装置，其中不同挤出机的出口朝向共同的挤出头汇聚，齿轮泵被放置在后者的上游。在这种情况下，在泵的齿轮直径方面没有任何妥协，这些齿轮的尺寸设定为确保挤出机运行所需的供给，而不会过度加热弹性体配混物。
优选地，所述挤出机的轴线彼此之间形成锐角。
挤出机的挤出螺杆的纵向轴线布置为使它们输送的配混物朝向共挤出成型元件的挤出头汇聚。挤出机的纵向轴线与相邻的挤出机的轴线成锐角(小于90°)。因此，经由将挤出机的出口孔连接到挤出头的流动管道，通过将两种单独的配混物流共挤出而获得共挤出的成型元件。挤出头是平头型的，或者具有成型的固定刀片，该固定刀片与旋转辊配合，在该旋转辊上放置有共挤出的产品。
有利地，所述齿轮泵包括两个小齿轮，所述两个小齿轮的旋转轴线平行于其所供给的挤出机的纵向轴线。这使得可以使用具有简化的设计和减小的体积的齿轮泵。
优选地，所述小齿轮是人字纹类型的小齿轮。这使得可以更好地将进入的配混物引导至小齿轮的中央部分，并且限制了朝向小齿轮的轴承泄漏的风险。
有利地，所述齿轮泵具有主体，所述主体设置有用于弹性体配混物的入口孔并且设置有用于配混物的输送孔。
优选地，齿轮泵的入口孔被供给弹性体配混物带材。供给是弹性体带材的不加热的直接供给，以简化组件的结构。
有利地，所述齿轮泵的入口孔直接连接至用于供给弹性体配混物的供给挤出机的出口孔。以此方式，每一个齿轮泵被供给流化的或均质的热配混物，从而使得可以在出口处使用挤出机，该挤出机的螺杆仅具有将配混物朝着挤出头传输的作用。这允许齿轮泵的设计变得更紧凑且更便宜，同时延长其使用寿命。
优选地，本发明的装置具有控制单元，所述控制单元使所述螺杆的旋转速度与所述齿轮泵的齿轮的旋转速度同步。
这使得可以调节施加到配混物上的做功的量，该配混物的流动速率由齿轮泵确定。因此，根据想要施加到配混物上的剪切量，将挤出机螺杆的速度选择为与泵的齿轮的速度成比例。例如，螺杆的较低速度向配混物施加了更多的剪切力和热量，而螺杆的类似于齿轮的速度确保了配混物向挤出机出口的更快的传输。
本发明的目的还通过一种用于生产用于轮胎的共挤出成型元件的共挤出方法来实现，所述用于轮胎的共挤出成型元件由不同成分的橡胶配混物制成，所述共挤出方法具有至少一个第一挤出机和至少一个第二挤出机以及挤出头，所述第一挤出机具有带有纵向轴线的螺杆；所述第二挤出机具有带有纵向轴线的螺杆；所述挤出头通过适当的导管连接到所述挤出机的每一个，其特征在于，每一个挤出机被供给来自齿轮泵的弹性体配混物。
有利地，所述螺杆的旋转速度与所述齿轮泵的小齿轮的旋转速度同步。
附图说明
根据说明书的基于以下附图的其余部分将更好地理解本发明：
-图1是根据本发明的第一个实施方案的装置的轴向截面图；
-图2是图1中的装置的局部截面的立体图；
-图3a和图3b示出了在本发明的装置中使用的齿轮泵的优选实施方案变型的截面图和立体图；
-图4是根据本发明的第二个实施方案的装置的轴向截面图；
-图5是图4中的装置的局部截面的立体图；
-图6a至图6c示出了本发明的共挤出装置的示例。
在不同的附图中，相同或相似的元件具有相同的附图标记。因此，它们的描述没有系统地重复。
具体实施方式
图1和图2示出了根据本发明的第一个实施方案的共挤出装置1。截面图在与挤出头2的对称平面平行的平面上。该装置包括两个挤出机10和20，两个挤出机10和20各自分别输出到挤出头2的导管11和21中。
挤出机10包括挤出螺杆12或阿基米德螺杆和用于保持螺杆的机筒14，以及用于驱动螺杆12围绕其纵向轴线13旋转的齿轮电机15。机筒14具有用于供给弹性体配混物的供给入口16和通向导管11的出口17。挤出机20包括挤出螺杆22或阿基米德螺杆和用于保持螺杆的机筒24，以及用于驱动螺杆22围绕其纵向轴线23旋转的齿轮电机25。机筒24具有用于供给弹性体配混物的供给入口26和通向管道21的出口27。纵向轴线13和23朝向挤出头2汇聚并且相对于挤出头2的对称轴线对称。
橡胶或弹性体应当理解为优选地指代任何类型的二烯或非二烯弹性体，例如热塑性弹性体或弹性体的混合物：天然橡胶和合成橡胶；增强填料：炭黑和二氧化硅；增塑剂：油、树脂和其他化学元素，例如硫。本发明的挤出装置试图产生由不同配混物制成的共挤出的成型元件。举例来说，这种不同的弹性体配混物是用于形成胎面组件的弹性体配混物或橡胶配混物，例如：由100％天然橡胶制成的第一材料用于形成底层的弹性体配混物或橡胶配混物，然后由100％合成橡胶制成的第二材料形成胎面。可以添加第三种或者甚至第四种材料来形成胎侧，该另一种材料由天然橡胶/合成橡胶配混物(包含20％至80％的天然橡胶)制成。
根据本发明，每一个挤出机10、20分别由齿轮泵30和40供料。齿轮泵30包括供给入口37和输送出口38，所述供给入口37用于供给第一弹性体配混物，所述输送出口38以密封方式连接至挤出机10的供给入口16。齿轮泵40包括供给入口47和输送出口48，所述供给入口47用于供给第二弹性体配混物，所述输送出口48以密封方式连接至挤出机20的供给入口26。
在图1和图2所示的示例中，使用带材4给泵30供料，并且用弹性体配混物的带材5来给泵40供料，带材4和5处于环境温度下。在附图中未示出的变型中，齿轮泵30、40设置有用于将配混物带4、5驱动到泵中的驱动小齿轮，这些驱动小齿轮以本领域技术人员已知的方式放置在每一个泵的入口孔37、47的前面。
每一个齿轮泵30和40分别包括具有轴线33、34和43、44的两个圆柱形小齿轮31、32和41、42，所述轴线33、34和43、44相互平行并且分别与挤出螺杆12和挤出螺杆22的纵向轴线13和23平行。小齿轮31由齿轮电机35驱动围绕其轴线33旋转，小齿轮32由小齿轮31驱动围绕其轴线34旋转。类似地，小齿轮41由齿轮电机45驱动围绕其轴线43旋转，小齿轮42由小齿轮41驱动围绕其轴线44旋转。小齿轮31和32容纳在泵的壳体36中。小齿轮41、42容纳在泵的壳体46中。
在本发明的一个实施方案变型中，小齿轮31、32和41、42具有直齿。在另一个实施方案变型中，如在图3b中可以更清楚地看到的，所有小齿轮31、32和41、42都是人字纹类型的。
参照图3a和图3b说明本发明的齿轮泵30的操作。弹性体配混物通过具有漏斗形横截面的入口开口37沿箭头I的方向进入泵30，从而可以用配混物适当地填充小齿轮31的齿。配混物通过小齿轮31的齿传输到压缩区域，在该压缩区域中，小齿轮31的齿与小齿轮32的齿啮合。在齿轮的齿所施加的压力的作用下，压缩的配混物被送入室39，并且沿箭头II所示的方向离开泵。
在图3a的变型中，泵通过凸缘70安装在挤出机10的机筒14上，以使泵30的输送出口38与挤出机10的供给入口16相对应。
在另一个变型中(图1和图2)，挤出机10、20的螺杆12、22穿过齿轮泵30、40的壳体36、46，并且机筒14、24的上游端紧固到在相同壳体的侧面。
在一个有利的实施方案中，如图3b所示，优选给泵30设置人字纹类型的小齿轮31和32。人字形图案的取向使得其将弹性体材料流导向每一个小齿轮31、32的中央31′、32′，使得小齿轮边缘上的压力可以减小。这使得可以确保泵体的侧向轴承处的密封结构，以利用简单的密封来支撑小齿轮轴杆，从而确保齿轮泵的简单且廉价的机械结构。在该变型中，齿轮泵40具有人字纹类型的小齿轮和类似于泵30的结构。
在操作中，齿轮泵30、40的连续供给使得可以填充驱动小齿轮的齿，并且在出口处提供恒定且可测量的材料流动速率。每一个挤出机10、20的螺杆12、22的旋转速度与专用泵的齿轮的旋转速度同步地控制，并且取决于其输送的配混物的流变特性。以此方式，在每一个挤出机的出口处获得正位移挤出，材料的流动速率恒定，并且在每一个挤出机10、20的供给入口16、26和出口17、27之间已或多或少地对材料进行了剪切。到达每一个挤出机的出口的挤出物在压力下被送入到模具的导管11、12中而没有混合，以便以此方式获得共挤出的成型元件。
通过挤出机10的弹性体配混物与挤出机20中的弹性体配混物是不同的(不同理解为意味着其具有不同的物理化学性质)。当螺杆12和22设定为旋转时，使这两种配混物通过导管11和21朝着挤出头2的出口模具3汇聚，这意味着要在两种配混物的压力和温度下以原始状态进行结合，而不与外界接触并且在成型之前。这可以获得共挤出的产品在配混物之间的交界处的良好完整性，以及形成共挤出的成型产品的组件的恒定几何形状。
图4和图5示出了根据本发明的第二个实施方案的共挤出装置1。截面图在与挤出头2的对称平面平行的平面上。图4和图5中的装置1包括第一挤出机10和第二挤出机20，第一挤出机10和第二挤出机20分别由齿轮泵30和40供给，齿轮泵30和40的结构和操作与上述的齿轮泵相似。根据该实施方案，每一个齿轮泵30、40分别由供给挤出机50和60供给。
供给挤出机50包括挤出螺杆52或阿基米德螺杆和用于保持螺杆的机筒54，以及用于驱动螺杆52围绕其纵向轴线53旋转的齿轮电机55。机筒54具有供给入口56和出口57，所述供给入口56用于以带材4的形式供给弹性体配混物，所述出口57以密封方式通向齿轮泵30的入口孔37。
供给挤出机60包括挤出螺杆62或阿基米德螺杆和用于保持螺杆的机筒64，以及用于驱动螺杆62围绕其纵向轴线63旋转的齿轮电机65。机筒64具有供给入口66和出口67，所述供给入口66用于以带材5的形式供给弹性体配混物，所述出口67以密封方式通向齿轮泵40的入口孔47。
在一个有利的实施方案中，纵向轴线53平行于小齿轮31、32的轴线33、34，并且纵向轴线53平行于小齿轮41、42的轴线43、44，以实现装置1的最佳体积。在另一个实施方案中，供给挤出机50、60与齿轮泵的入口相切地布置(它们的轴线53、63相对于齿轮泵30、40的小齿轮的轴线垂直或倾斜)。
根据该实施方案，每一个泵30、40接收已经被加工、流化并且设置温度的弹性体配混物的供给。以此方式，齿轮泵30、40被供给更多的流体配混物，从而可以限制轴承上的负载和齿轮齿的磨损，并且增加了泵的使用寿命。此外，供给流化的配混物需要较小的扭矩，因此齿轮泵中设置的功率较小，因此，可以具有更紧凑的结构和更低的成本。在这种情况下，可以简化挤出机10和20的结构，其螺杆主要用于恒定地向挤出头2输送弹性体配混物，该弹性体配混物的流动速率由泵适当地计量。
图6a至图6c示出了根据本发明的共挤出装置的示例，该共挤出装使用在挤出头中输出的多个挤出机，以挤出共挤出的复合产品。
图6a中的装置1a示出了所有设置在挤出头2的对称平面内的几个挤出机的布置。如上所述，每一个挤出机10、20、m、n是由专用齿轮泵供给配混物的正位移挤出机。
图6b中的装置1b示出了布置在挤出头2的对称平面的两侧的几个挤出机的布置。如上所述，每一个挤出机10、20、m、n是由专用齿轮泵供给配混物的正位移挤出机。
图6c中的装置1c示出了多个挤出机的布置，这些挤出机并排布置在挤出头2的对称平面的两侧。如上所述，每一个挤出机10、20、m、n是由专用齿轮泵供给配混物的正位移挤出机。
在未在图中示出的另一个变型中，布置有至少两个额外的挤出机10′、20′，两个额外的挤出机10′、20′的纵向轴线13′、23′布置在与挤出头2的对称平面相交的单个平面中。将两个挤出机10′、20′布置为输出到位于由轴线13′、23′限定的平面内的流动导管中，以获得挤出机的最佳体积。图6b所示的该变型也可以与图6a和图6c所示的布置结合应用。
在一个变型中，挤出机10、20、m、n中的至少两个输出同一种弹性体配混物(具有相同的组成)。
该装置包括控制单元，该控制单元能够特别地根据共挤出的成型元件的尺寸以及所输送的材料的流变特性，调节挤出机10、20的螺杆12、22的旋转速度以及齿轮泵30、40的驱动小齿轮31、41的旋转速度。
控制单元根据共挤出的成型元件的所需尺寸或根据运行条件(变速，停止启动条件)来驱动齿轮电机15、25、35、45的速度。泵30、40的驱动小齿轮31、41的旋转速度与流动速率的变化成正比。这允许控制单元根据共挤出的产品的尺寸来调节每一个挤出机10、20的流动速率，并且还可以在操作期间使其保持恒定。
在一个变型中，使用位于挤出头2的出口处的光学传感器来预先建立和测量共挤出的成型元件的尺寸，特别是其宽度和厚度。传感器链接到控制单元，检查共挤出的成型元件的尺寸及其与预设尺寸的一致性。在一个变型方案中，重量传感器测量共挤出的成型元件的重量，并且链接至控制单元，这由此对共挤出的产品的公差进行甚至更精细的调节。
在另一个变型中，控制单元还连接到拉出装置，该拉出装置拉出共挤出的成型元件的带材，以便调节其速度。
在不脱离其权利要求的范围的情况下，可以设想本发明的其他变型和实施方案。
因此，在更经济的变型中，使用单个齿轮电机组件来同时驱动螺杆和位于其上游的齿轮泵的小齿轮的轴旋转。在一个更经济的变型中，单个齿轮电机驱动供给挤出机的螺杆、齿轮泵的小齿轮和将配混物传输到挤出头中的挤出机的挤出螺杆旋转。
在另一个变型中，泵30和40具有彼此不同的结构，或者具有相同的结构，但是它们各自的部件的尺寸不同(例如，小齿轮的直径在一个泵中与另一个泵中不同)。

Claims (10)

1.一种用于生产用于轮胎的共挤出成型元件的共挤出装置，所述用于轮胎的共挤出成型元件由不同成分的橡胶配混物制成，所述共挤出装置具有至少一个第一挤出机(10)和至少一个第二挤出机(20)以及挤出头(2)，所述第一挤出机(10)具有带有纵向轴线(13)的螺杆(12)；所述第二挤出机(20)具有带有纵向轴线(23)的螺杆(22)；所述挤出头(2)通过适当的导管(11、21)连接到所述挤出机(10、20)的每一个，其特征在于，每一个挤出机(10、20)的供给入口(16、26)连接到齿轮泵(30、40)的输送孔(38、48)。
2.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，所述挤出机(10、20)的轴线(13、23)彼此之间形成锐角。
3.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述齿轮泵(30；40)包括两个小齿轮(31、32；41、42)，所述两个小齿轮(31、32；41、42)的旋转轴线(33、34；43、44)平行于其所供给的挤出机(10；20)的纵向轴线(13；23)。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述小齿轮(31，32；41、42)是人字纹类型的小齿轮。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述齿轮泵(30、40)具有主体(36、46)，所述主体(36、46)设置有用于弹性体配混物的入口孔(37、47)，并且设置有用于配混物的输送孔(38，48)。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述齿轮泵(30，40)的入口孔(37、47)被供给弹性体配混物带材(4、5)。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述齿轮泵的入口孔(37、47)直接连接至用于供给弹性体配混物的供给挤出机(50、60)的出口孔(57、67)。
8.根据权利要求1至7的任一项所述的装置，其特征在于，所述装置具有控制单元，所述控制单元使所述螺杆(12、22)的旋转速度与所述齿轮泵(30、40)的齿轮的旋转速度同步。
9.一种用于生产用于轮胎的共挤出成型元件的共挤出方法，所述用于轮胎的共挤出成型元件由不同成分的橡胶配混物制成，所述共挤出方法具有至少一个第一挤出机(10)和至少一个第二挤出机(20)以及挤出头(2)，所述第一挤出机(10)具有带有纵向轴线(13)的螺杆(12)；所述第二挤出机(20)具有带有纵向轴线(23)的螺杆(22)；所述挤出头(2)通过适当的导管(11、21)连接到所述挤出机的每一个，其特征在于，每一个挤出机(10、20)被供给来自齿轮泵(30、40)的弹性体配混物。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述螺杆(12、22)的旋转速度与所述齿轮泵(30、40)的小齿轮的旋转速度同步。
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